Охотники за частицами

Глава 2 Град из космоса

Мойте руки перед едой! Врачам, долго и успешно пропагандирующим этот лозунг, обеспечена поддержка физиков.

Ибо любой физический — да и не только физический — опыт есть результат упорной борьбы человека с природой. Она нисколько не стремится к чистоте. Напротив, все, что можно, она перемешивает друг с другом. Да еще так тесно, что отделить одно от другого нередко требует колоссального труда и немалого хитроумия.

История физики — это история борьбы за чистоту опыта. Интересующему явлению всегда сопутствует компания побочных явлений. Эти явления постоянно мешают; нередко они совсем маскируют нужное явление.

Допустим, — и это ближе к нашей теме — физик изучает электрический разряд в чистом газе, к примеру, в аргоне. Значит, прежде всего надо получить чистый газ. Аргон добывается из воздуха, где его ничтожные доли процента.

Сегодня физик может не беспокоиться: к его услугам мощная химическая промышленность. Но еще полвека назад он должен был добывать аргон собственными руками.

Процедура извлечения аргона из воздуха длинна и хлопотна. Пришлось бы долго описывать ее. Но вот аргон получен. Чистый? Конечно, нет. Абсолютно чистых веществ человек еще никогда не имел в своем распоряжении.

Все вещества, даже очень чистые, хоть и немного, но загрязнены примесями. Аргон, например, запачкан следами кислорода — очень неприятного газа. Дело в том, что кислород, как выяснилось впоследствии, очень активно вмешивается в ход электрического разряда и может сильно напортить в опытах.

Совсем избавиться от кислорода невозможно. Физик в нашем рассказе удовлетворяется примесью, скажем, одного атома кислорода на тысячу атомов аргона.

Следующий этап — ввести аргон в сосуд, в котором будет проходить опыт. Теперь надо очищать сосуд. Задача эта еще труднее. Она напоминает работу билетеров в кинотеатре, когда закончился детский сеанс и должен начаться взрослый. Да еще с грозным аншлагом: «Дети до 16 лет не допускаются!» Такое объявление способно только разжечь мальчишечье любопытство.

И, вместо того чтобы чинно проследовать на выход, мальчишки прячутся по всем закоулкам зала. Вспугнутые билетерами, они выскакивают в двери, чтобы вернуться через окна. Несмотря на все старания билетеров, на взрослом сеансе всегда останется «примесь» мальчишек.

Примерно так и получается при откачке воздуха из сосуда перед наполнением его чистым газом. И, подобно билетерам, физики мирятся с неизбежным злом. Лишь бы этого «зла» было поменьше!

Пойдемте дальше. Если физик собирается изучать ионизацию в газе — а ее и создает электрический разряд, — то прежде всего надо убрать ионизацию, появившуюся еще в отсутствие этого разряда. Фон, как говорят физики. Если изучаемая ионизация будет слаба, то фон ее может начисто скрыть.

Наш физик работает уже в начале двадцатого века. Он уже знает о существовании радиоактивности, знает, что она может обнаружиться и по ионизации газа. Те же уран и радий — пусть в ничтожных количествах — обитают во всех земных породах. С этими породами они попадают во все строительные материалы. Все здания, хоть и очень слабо, но радиоактивны.

Значит, на вольный воздух! Но и тут нет полного спасения. Радий, распадаясь, постоянно выделяет радиоактивный газ — радон. А радон уходит в воздух. Правда, если выкачать воздух из опытного сосуда, от радона можно практически избавиться. Но не выкачаешь же всю атмосферу!

Чтобы радиоактивные излучения не проникали в сосуд, его надо заэкранировать со всех сторон свинцом. Ну, теперь, кажется, все в порядке? Наш физик вместо ответа беспомощно показывает на листочки заряженного электроскопа. Да, они меньше опали по сравнению с тем, что было до того, как приняли защитные меры. Меньше опали, но все же опали. Хоть маленькая, а все же ионизация осталась.

Ну и ладно: мало ли какие бывают мелкие погрешности в опыте! О странной «неуничтожимой» ионизации забыли. Но не все: нашлись дотошные ученые, которые решили дойти до конца, и среди них известный уже нам Чарлз Вильсон. Однако осуществление их намерения откладывалось из года в год.

Тем временем непонятным явлением заинтересовались австрийцы. Земля, воздух — источник радиоактивной грязи. Так подальше от них, — решили эти ученые. И поднялись в небо на воздушных шарах. Первые километры подъема. Ионизация действительно уменьшается. Но затем начинается непонятное: ионизация начинает снова расти, причем весьма быстро. Австриец Виктор Гесс, одним из первых обнаруживший это примечательное явление, перебрав в уме все возможные его причины, высказывает удивительную мысль. Эта ионизация вызывается какими-то сильно проникающими лучами неземного происхождения!

Как всегда, когда высказывается что-то удивительно смелое, нужно время, чтобы еще и еще раз проверить его. И, если оно правильно, свыкнуться с ним. Но историю мало волнуют судьбы научных открытий. Через четыре года после открытия Гесса в Европе вспыхнула первая мировая война.

И все же в считанные мирные годы перед первой мировой войной немецкий физик Вернер Кольхерстер успевает подняться еще выше Гесса и подтвердить его результаты. На высоте двенадцати километров, когда Земля за окном иллюминатора воздушного шара скрылась в сизой дымке, приборы показали, что ионизация возросла в целых тридцать раз!

Да, ее явно вызвали лучи неземного происхождения. Таинственные лучи, идущие из глубин космоса.

Град невидимых частиц, бесперебойно бомбардирующих Землю! Ученые ухитрились сделать его и видимым и слышимым.

Следы всегда остаются. По счастью, неведомые пока частицы космических лучей не вняли этому предупреждению юристов.

Они, по образному сравнению известного их исследователя Пьера Оже, напоминают мотоциклистов, на недозволенной скорости врезающихся в толпу.

Мы предпочтем менее печальный образ — сильного зверя, попавшего в заповедный лес. Этот образ тоже далек от истинного: наш зверь, вместо того, чтобы задрать первую попавшуюся ему на пути жертву, предпочитает лишь содрать с нее кусок шкуры и несется дальше, к следующей жертве. Путь его очерчен покалеченными обитателями леса. Наконец, растратив все свои силы, наш зверь где-то укладывается на отдых.

После появления «планетарной» модели атома Резерфорда нам уже понятно, что обитатели заповедного леса — атомы, ядра которых одеты в электронные шкуры. Стоит вырвать хотя бы небольшой кусок шкуры — и атом превращается в электрически заряженный ион. Если включить теперь электрическое поле, то покалеченные атомы побегут «жаловаться» к катоду. Кусочки шкур тоже не останутся в неподвижности — они, словно подхваченные ветром, понесутся к аноду. Это, как мы уже догадываемся, — электроны.

В газе пошел электрический ток! Страшно слабенький, далеко за пределами чувствительности самых совершенных амперметров, — но все же ток. Тем временем он выбрался через электроды из сосуда и побежал по проводничку к электроскопу. И предварительно заряженный электроскоп стал разряжаться: листочки его начали опадать. Так получили первую ионизационную камеру.

Нет, она не позволяет еще ничего слышать и видеть. Но она уже может сигнализировать: в лесу появились хищники! И она уже может даже примерно оценить, сколько их появляется, скажем, за час или за день. Именно с ионизационной камерой проводили свои первые измерения Гесс и Кольхерстер.

Немного спустя физики обзавелись новым капканом для частиц. Не иначе, как Ганс Гейгер — «белый раб» своего учителя Резерфорда — безумно устал от бесконечного сидения в темной комнате, где на экране время от времени появлялись слабенькие вспышки от альфа-частиц. А может быть, и не настолько устал, чтобы ему в голову не приходили любопытные мысли.

Во всяком случае, именно он придумал счетчик частиц, который получил его имя. Теперь уже можно было следить за появлением каждого хищника в заповедном лесу. Посмотреть на схему — та же ионизационная камера: тот же сосуд с двумя электродами, на которые подано напряжение.

Однако на этом их сходство кончается. Дальше начинается нечто невообразимое.

Гейгер, видимо, начисто лишен жалости к лесным обитателям. Придав своим электродам особую форму (вот она показана на рисунке), Гейгер создает около анода электрический ветер чудовищной силы. Куски шкур, сорванные хищником, несутся здесь с такой бешеной скоростью, что от столкновения с ними не поздоровится и уцелевшим зверям. А удрать от этой бойни мирные звери не в состоянии — они слишком неповоротливы.

Растет несущаяся к аноду лавина электронных шкур, растет число задранных зверей, бегущих «жаловаться» катоду. Немногочисленные электроны, созданные влетевшей в сосуд частицей, быстро размножаются и возле анода превращаются в могучий поток.

Слабенький ток в ионизационной камере сменяется мощным импульсом тока в счетчике Гейгера. Именно импульсом: потому что ток в счетчике прекращается, как только последние «жалобщики» достигнут катода.

Мощный импульс от каждой частицы, вылетевшей в счетчик, — это хорошо. Ток можно вывести из счетчика и послать, например, на какое-нибудь реле. Прошел этот ток через магнит, магнит оттянул сердечник, удерживающий пружинку, та распрямилась — и хлопнула одна пластинка о другую.

Щелчок! Частица услышана!

Теперь сиди себе, считай щелчки — вместо того, чтобы, напрягая до боли глаза, считать бледные вспышки на экране.

Ведь это было наказание, когда сразу поступало много частиц и экран почти одновременно вспыхивал в десятках точек!

Пока что счетчик — такой простенький — выручает. Но погодите, придет время, и он проявит свои несовершенства. Он будет попадать в такие могучие потоки частиц, что не успеет с ними справляться. И тогда наблюдатель вместо аккуратного пощелкивания услышит захлебывающийся пулеметный треск!

Да, счетчик явно не справляется. Он оказывается в положении финишного судьи, который мирно стоял на беговой дорожке и вдруг попал на кросс, где бегут тысячи спортсменов. Что ж, скажете вы, нужна автоматика.

Да, и она была создана. Но сначала предстояло улучшить самого «судью». Он оказался даже более несовершенным, чем это можно было думать в первое время его деятельности.

Прежде всего он, если так можно выразиться, «спал на ходу». Он добросовестно поднимал свой флажок, когда бегун грудью рвал ленточку, но забывал его опустить, причем на довольно долгое время. Если за первым бегуном быстро финишировал второй или даже несколько бегунов, то он их просто не засчитывал.

Легко понять почему. Помните, импульс заканчивался, лишь когда последние «жалобщики» — ионы — приходили на катод? Ужасно нерасторопными были они! Электронная лавина давно уже вся ушла в анод, а ионы все идут и идут. И, пока последний не дойдет, счетчик не засчитает появления следующей частицы.

И это еще не все. Под конец своего пути, подгоняемые электрическим ветром, жалобщики могли так «разъяряться», что, подлетая к катоду, сами начинали хищно срывать шкуры с атомов, мирно живущих в катоде. В газе появлялись новые электроны, возникала новая их лавина — на сей раз не вызванная никакой влетевшей частицей. В результате появлялся ложный импульс. Теперь можно было бы засчитать даже несуществующие частицы!

Тогда физики додумались: оборвать разряд сразу после того, как электронная лавина долетит до анода! Обойдемся без медлительных ионов! А они тем временем воссоединятся с электронами, не поспевшими к аноду, — и счетчик снова готов к работе.

Так было укорочено время бездействия счетчика, метко названное мертвым временем. И, что важно, это мертвое время теперь стало точно известно. Отныне, даже если частицы и попадали в счетчик, когда он «спал», можно было примерно подсчитать и их число, зная, сколько времени счетчик «спит», а сколько «бодрствует».

А нерасторопное реле, которое захлебывалось треском от непосильной нагрузки, заменили электронными приборами, которые «выдавали» сразу число засчитанных частиц. Сейчас этот треск можно послушать только ради быстропроходящего любопытства. А глаз — тот нужен только для того, чтобы прямо считывать показания прибора.

Неугомонные физики, однако, захотели большего. Они захотели возложить на судью еще обязанности секундометриста, чтобы тот определял и скорость, а с нею — энергию влетевших частиц. В атомном мире это можно было сделать. Ведь число содранных шкур, при одном и том же числе зверей, попавшихся на пути хищника, зависит от его «силы». Чем хищник энергичнее, тем больше зверей он задерет, пока не выдохнется до конца.

Иными словами, чем энергичнее частица, влетевшая в счетчик, тем сильнее будет импульс от электронов, попавших на анод. Но тогда уже не годится лавина, возникающая в счетчике Гейгера. Она оказывается одной и той же, независимо от того, создана она десятком или сотней первых электронов, содранных влетевшей в счетчик частицей.

Такой счетчик отметит появление частицы, но он совершенно равнодушен к тому, с какой скоростью она пролетела сквозь него. Пробудить у счетчика интерес к этому, однако, нетрудно: нужно лишь немного сбавить напряжение на его электродах. И этого достаточно. Тогда импульс будет пропорционален энергии влетевшей частицы. А сам счетчик получает название пропорционального. Он был придуман Гейгером и Марсденом еще раньше, чем тот счетчик, который мы описали выше.

Удовлетворится ли человек посылкой автоматических станций в космос? Достаточно ли ему будет обмениваться «радиопрограммами» с обитателями других звездных миров, как о том повествует писатель-фантаст в «Туманности Андромеды»? Скорее всего — нет. Жадное человеческое любопытство требует: пощупать своими руками! Увидеть своими глазами!

В атомном мире пощупать ничего нельзя. Бесстрастное пощелкивание счетчика вполне может удовлетворить физика. Но в каждом физике живет еще человек. И человек куда более любопытный, чем многие из его окружающих.

Пощупать нельзя. А увидеть? Такая мысль уже не один год волнует Чарлза Вильсона. Всему виной давно открытое им явление. Мы о нем уже рассказывали: если из газа убрать пылинки, то газ можно заставить конденсироваться на ионах. Правда, для начала его нужно перевести в состояние пересыщенного пара.

Помните коротенький раздел «Изотермы реального газа» из школьного курса физики? Если и забыли, то не беда: все равно придется вспомнить. Есть у газа такое неустойчивое состояние, как пересыщенный пар.

Обычный насыщенный пар легко конденсируется в капельки жидкости при понижении температуры. Примером тому запотевшие стекла или роса. Это высадился на холодную поверхность водяной пар из воздуха.

Но если насыщенный пар не подводить к низкой температуре, а охладить «рывком», то он может и не перейти в жидкость, а остаться паром. Но это состояние столь же неустойчиво, как положение неукрепленного камня на склоне горы.

Небольшой толчок — и вниз летит уже каменная лавина. Такой толчок дают пылинки в пересыщенном паре. На них-то и начинается быстрая конденсация пара. И такой же толчок, как выяснил Вильсон, могут создавать ионы. Тогда в сосуде быстро образуется туман из медленно оседающих мельчайших капелек жидкости. Туман такой же густой, как знаменитые лондонские туманы, столь ненавистные англичанам.

Капельки тумана рассеивают свет — потому-то они и видны. А что, если…

Но надо рассказать по порядку. Наполним камеру жидкостью и подберем ее температуру так, чтобы в камере образовался насыщенный пар. Затем резко увеличим объем камеры, например отодвинем одну ее стенку. Температура резко упадет, пар станет пересыщенным.

Если в этот момент в камеру влетит частица, то она вдоль своего пути образует цепочку ионов. На этих ионах осядут первые капельки воды.

Если теперь осветить внутренность камеры яркой вспышкой света… Быстро, пока ионы, подталкиваемые случайными ударами со стороны молекул пара, не разошлись в разные стороны.

Смотрите! Э, впрочем, не годится. Память — недолговечное хранилище для таких вещей. Давайте быстренько фотоаппарат. Выдержка — в тысячные доли секунды. Здесь не скажешь ионам: «Спокойно, снимаю!»

И все. Затем нужно проявить фотопластинку. Можно для удобства сделать с нее позитивный отпечаток.

А вот теперь смотрите. На пластинке во всю ее длину протянулся тонкий белый след. Это и есть след пролетевшей частицы. Она оставила его в виде цепочки ионов в камере Вильсона.

Так физики «увидели» первую частицу. Увидели, конечно, не саму ее. Предстоит вам еще прочитать разочаровывающие строки, из которых вы узнаете, что увидеть даже с помощью приборов ни одной атомной частицы нельзя…

Но вот след, оставленный частицей, увидеть можно. Он и запечатлен на фотопластинке.

Однако считайте, что вам повезло. Частица соблаговолила влететь в камеру в тот момент, когда камера сработала. Влети она немного раньше или немного позже — на фотопластинке ничего не обнаружить.

Камера Вильсона — это капкан, захлопывающийся вслепую. Словно охотник пожелал ловить зверя капканом, который захлопывался бы, скажем, раз десять в час. А вдруг зверь сунет в него ногу именно в это время!

Но, как известно, все капканы устроены иначе. Они срабатывают только от зверя, а не подобно пасти кота, когда он охотится за мухами. Физикам и предстояло соорудить такой капкан. Одной пружины — камеры — оказалось мало. Нужна была еще доска, наступив на которую зверь освободил бы пружину. Такой доской стал счетчик.

Летела себе частица, и никому до нее не было дела. Разбегались с ее пути покалеченные атомы, и наконец, стал на дороге счетчик Гейгера. Прошла частица сквозь него, понеслась электронная лавина к аноду, побежали «жалобщики»-ионы к катоду. И электрический импульс дал знать камере о прилете частицы.

«Вот мы ее сейчас… сфотографируем!» — включила камера лампы-вспышки. И сфотографировала… пустое место. Летела частица — да не через камеру. Через счетчик проскочила, а камеру миновала: не по дороге.

И в самом деле, очень часто вовсе не по дороге. Скажем, прилетела частица в счетчик сверху, а камера стоит сбоку.

Загнать счетчик в камеру? Невыполнимая задача. Чем меньше в камере «всяких посторонних» предметов, тем легче, точнее и лучше она работает.

Да и не нужно, чтобы камера считала все частицы, которые в нее попадают. Но такую фразу физики получили право сказать лишь много лет спустя, когда досконально изучили многих гостей, побывавших в камере, когда визитные карточки этих гостей смогли многое рассказать об их природе и свойствах. А пока что каждый гость дорог, и камера готова широко раскрыть свои гостеприимные объятия.

Но раскрывать свои объятия каждый раз, когда слышатся шаги за дверью дома, хлопотно и даже неприятно. Надо подождать, пока раздастся звонок.

И этот звонок дает… второй счетчик. Он установлен вслед за первым так, что частица, пройдя через оба счетчика, должна неминуемо побывать в камере. Причем звонок последует только в том случае, если импульсы в обоих счетчиках возникнут практически одновременно.

Даже на людной улице маловероятно, чтобы у дверей дома послышались одновременно шаги двух людей, идущих не к вам. Так и в счетчиках: вероятность того, что в один из них попадет одна, а в другой одновременно другая частица, даже в обильном потоке частиц весьма невелика.

Когда физики хотят избавиться и от этого неприятного совпадения, то ставят друг за другом даже три счетчика. Тогда уже совпадение становится почти невероятным. Такая комбинация счетчиков оправданно названа телескопом. Она выделяет частицы, следующие по вполне определенному направлению. Так же, как телескоп улавливает свет от какой-то одной звезды, а не от всего небосвода сразу.

Итак, к вам пришли: счетчики дали звонок. Теперь можно раскрывать объятия. Но кому? Пока сигнал от счетчиков дошел до камеры, пока вспыхнул свет, частицы… — чуть было не сказал: «и след простыл». Нет, след, который оставила частица в охлажденной при расширении камере, «горячий».

Но поторопитесь, он быстро «остывает», уже через считанные доли секунды колонка ионов, на которую осели капельки сконденсировавшегося пара, теряет свои стройные очертания. А камера наполняется настоящим туманом: конденсация идет полным ходом.

Что ж, меры приняты: сработала быстродействующая автоматика. Получен хороший, интересный снимок.

А камера тем временем снова готовится к работе. Прежде всего из нее надо убрать ионы и туман. Производится поджатие, камера возвращается к исходному объему и температуре. Ионы высасываются из объема небольшим вспомогательным электрическим полем (чтобы никаких лавин и «разъяренных жалобщиков» не было — это только затягивает время подготовки камеры). Теперь можно производить новое расширение, и камера снова готова раскрывать свои «фотообъятия».

Телескоп счетчиков можно сориентировать в любом направлении, направить на любую точку неба… и Земли. Что касается Земли, то она так же мешает изучению космических лучей, как сами эти лучи мешают измерениям «земной» ионизации. Помните? — с этой помехи все и началось.

Да, к сожалению, телескоп счетчиков имеет неприятное отличие от обычного телескопа. Он, вроде двуглавого орла, одновременно смотрит направо и налево, или вверх и вниз. Он одинаково чутко отзывается на частицы, пришедшие как по данному, так и в точности противоположному направлению. Иными словами, он не позволяет отличить частицу, пришедшую из какого-нибудь атома урана, запрятанного в земной толще, от частицы, прилетевшей из неведомых космических глубин.

Однако можно на один «глаз» телескопа надеть «шоры». Кстати, физики так и делают: экранируют телескоп снизу толщей свинца, который хорошо поглощает «земное» радиоактивное излучение.

Но вот исследователь направляет телескоп на Землю. Неподалеку от телескопа он располагает радиоактивный препарат, в стенке камеры делает небольшое окошечко и закрывает его тонкой металлической пластинкой.

На пластинку падает пучок альфа-лучей от препарата. Толщину ее можно подобрать так, что все бета-лучи застрянут в пластинке. Это — для той же чистоты опыта.

Собственно говоря, на первых порах исследователь обходится даже без придуманного позже телескопа. Он помещает радиевый препарат вплотную к стенке камеры. Альфа-частиц много, и добрая их половина влетает в камеру.

Опыт, конечно, затягивается. Еще никакой электроники нет, и камера, бывает, срабатывает впустую. Но вот на одной фотографии исследователь — его можно назвать Эрнест Резерфорд — замечает любопытное явление. Один след в веере жирных следов альфа-частиц как бы расщепился надвое.

Такое впечатление, как будто альфа-частица распалась на две. Но это обманчивое впечатление. За добрых двадцать лет работы с этими частицами Резерфорд ни разу не замечал, чтобы они дробились. Но зато он в первый раз в своей жизни заметил, как они разбили — что?

Ядро атома азота! К такому выводу приходит ученый после тщательного анализа снимка. Альфа-частица встретилась в полете с ядром атома азота, которых полным-полно в камере, и превратила его в ядро кислорода. А излишек энергии поделили между собой это новое ядро и освободившийся из атома протон.

Понял ли ученый всю важность своего открытия? Наверное, понял: Резерфорд был дальновидным ученым. А открыл он не много не мало, как первую ядерную реакцию. Мечта средневековых алхимиков свершилась: один химический элемент «на глазах» превратился в другой.

Хотя, присутствуй при этом открытии алхимики, они были бы явно разочарованы: превращение происходило с ничтожными, почти невесомыми количествами вещества. Англичанин Патрик Блеккет, повторив опыт Резерфорда, сделал и изучил двадцать с лишним тысяч фотографий. На них оставили след более пятисот тысяч альфа-частиц.

Но только восемь из них попало в ядро азота и превратило его в ядро кислорода! Слишком «пустотелая» мишень — атом. Слишком мала запрятанная в его недрах цель — ядро.

Однако алхимикам пришлось бы ждать недолго: спустя четверть века философский камень современных алхимиков, попав в злобные руки, превратился в расплавленные чудовищным жаром камни Хиросимы!

И только спустя еще несколько лет этот камень в поистине добрых руках советских людей стал творить во все возрастающем количестве золото нашего века — атомную энергию.

Добрый посев Вильсона дал первый урожай. Чудесная камера стала настоящим окном в сокровенный атомный мир.

Но окном, которое открывается слишком редко, а открывшись, позволяет увидеть не так много, как хотелось бы, сетовали физики. Малое число рабочих циклов: львиную долю времени отнимает только подготовка камеры к работе. Малая плотность газа, а значит, путь частицы проходит скорее не по лесу, полному зверей, а словно в пустыне. Частица, пролетевшая насквозь всю камеру и ни разу не столкнувшаяся ни с одним ядром, что толку от нее?

Вы слышите? Это уже новые голоса. Это говорят физики-ядерщики — молодое поколение ученых, взращенное на открытиях Резерфорда. Уже идут двадцатые годы, и на передний край физики начинает выходить самая сокровенная «деталь» атома.

Но в их хоре можно слышать и голоса «космиков» — исследователей космических лучей. Им тоже хотелось бы иметь в своем распоряжении постоянно действующую камеру, в которой ядра были бы «напиханы» гораздо плотнее, чем в паре.

Значит, нужно «камеру» сделать из твердого вещества — оно в тысячи раз плотнее газа. Но как сделать, чтобы оно было чувствительно ко всем этим электронам, протонам и альфа-частицам?

Где взять это вещество?

А оно давно уже придумано — это фотографическая эмульсия. То, что на нее действует не только свет, а и радиоактивное излучение, тоже давно открыто. Именно случайно обнаруженная засвеченная фотопластинка, лежавшая по соседству с урановой солью, и позволила Анри Беккерелю открыть радиоактивность.

Что же осталось? Только сделать слой фотоэмульсии на стеклянной пластинке потолще: чем больше ядер встретила частица на своем пути, тем больше вероятность, что она столкнется хотя бы с одним из них. Это и предлагает в начале двадцатых годов молодой советский физик Лев Александрович Мысовский.

Так родились толстослойные, как их называют, фотопластинки, на которых запечатлевают свои следы частицы. Но разглядеть эти следы теперь не так просто, как на фотографии, сделанной в камере Вильсона. Их приходится рассматривать «по частям». Частицы уходят и в глубь фотоэмульсии.

Пришлось изучать следы частиц так, как это делают биологи, изучая живые клетки: резать эмульсию после проявления на тоненькие слои и каждый слой изучать отдельно. А затем сопоставлять друг с другом то, что найдено на последовательных слоях.

Неудобно, скажете? Согласен. Тем паче, что для воссоздания цельной картины приходилось привлекать пространственное воображение, а это у многих людей сопряжено с большими усилиями. Но зато число всяких интересных событий резко возросло. А со временем физики придумали рассматривать срезы с фотоэмульсией через пару зеркал, перпендикулярных друг другу, и сразу получать картину следа в пространстве. Теперь задача «реконструкции» следов частиц по их «обрезкам» значительно упростилась.

Ионизационные камеры, счетчики Гейгера, пропорциональные счетчики, камеры Вильсона, фотографические эмульсии… За каких-нибудь пятнадцать лет «космики» обзавелись солидным экспериментальным хозяйством. Можно было начинать «штурм космоса».

И штурм начался. Бес странствий и приключений словно вселился в физиков. Не преувеличивая, пользуясь словами Пьера Оже, можно это время назвать «героической эпохой» в исследовании космических лучей.

Со своими сложными и хрупкими приборами физики лезли под огромные соляные кучи в солеварнях, уходили в катакомбы под большими городами, дрожали от пронизывающей сырости в глубоких рудниках и шахтах, задыхались в непривычных водолазных костюмах на дне озер и морей, поднимались на заснеженные горы, взлетали на аэростатах и самолетах.

И порой расплачивались собственными жизнями за стремление побольше знать. В седой кремлевской стене покоится прах трех отважных советских исследователей — Усыскина, Васенко и Федосеенко. Они погибли при аварии стратостата, на котором в 1934 году поднялись на высоту 22 километра, чтобы исследовать интенсивность потоков космических лучей на больших высотах.

Обжигались у негреющего космического огня и те ученые, которые месяцами и годами не сходили с высочайших горных пиков. Они хотели знать, зависит ли поведение космических лучей от смены дня и ночи, от погоды, от сезона, один и тот же ли поток падает из космоса на Землю весной или осенью, в этот и в следующий год. Что ж, космические лучи открывали эту тайну. Но они несли в себе зародыши и других жутких тайн. Ученые внезапно заболевали белокровием, количество лейкоцитов в их крови угрожающе возрастало. Иногда не помогали самые героические меры, и люди погибали. У других в зрелые годы вдруг снова начинали расти кости. Молодые цветущие люди сходили с гор навеки обезображенными.

Да, это было сродни язвам на руках Пьера и Мари Кюри, годами работавших с радиоактивными препаратами. Сегодня мы уже знаем, что это такое — лучевая болезнь! В те годы ученые еще не знали, что исследование сильнопроникающих излучений — занятие, вовсе не безопасное для организма человека…

Знаменитый швейцарский исследователь Огюст Пикар не доверял инженерам. Он сам разрабатывал и строил те корабли, на которых затем исследовал космические лучи. В начале тридцатых годов он одним из первых поднялся за двадцатикилометровый рубеж на своем воздушном шаре. Несколько лет спустя он первым погрузился в морскую пучину на несколько километров в удивительно прочной батисфере. Еще никому на земном шаре не удалось повторить подвиг Пикара, сделавшего почти тридцатикилометровый «разрез» через воздушный и водный океаны Земли.

Что ж, добытые результаты стоили подвига не только научного, но и просто человеческого. Выяснилось, что интенсивность космических лучей сравнительно медленно спадает по мере приближения к поверхности Земли. Да и сама «твердь земная», являющаяся отличной защитой от радиоактивных излучений, не в состоянии полностью задержать космические лучи. Их можно было обнаружить и в самых глубоких шахтах.

Тем временем родилась новая разновидность «космиков» — кругосветные путешественники. Они колесили по земному шару вдоль и поперек в буквальном смысле слова — то есть и по широтам и по меридианам. С каждым годом все более рассеивался туман неопределенных результатов, неоправданных догадок. И наконец стало ясно, что космический град обдувает Землю совсем не так равномерно и постоянно, как это казалось первым исследователям.

Американский физик Артур Комптон составил карту того, как распределяется космический град по поверхности земли. Она немного похожа на те карты, которыми пользуются синоптики для предсказания погоды. Только на этой карте сплошные линии охватывают точки не с одинаковым атмосферным давлением, а с одинаковой интенсивностью космических лучей. А рядом с ними Комптон нанес на карту пунктирные линии, связывающие пункты с одинаковой напряженностью земного магнитного поля.

И оказалось, что сплошные линии довольно хорошо следуют ходу пунктирных линий. Это могло означать одно: важнейшей причиной неравномерности космического облучения Земли служит ее собственное магнитное поле. Магнитный ветер сбивает в сторону космический град.

Физики приняли этот вывод с удовлетворением. Они уже давно знали, что в составе космических лучей присутствуют электрически заряженные частицы. Эти частицы неминуемо должны отклоняться в сторону от исходного направления полета, попадая в магнитное поле.

Теперь, зная силу магнитного поля Земли, по этому отклонению можно было судить о скорости космических частиц. Подсчет дал колоссальную цифру — скорость их лишь совсем немного отличалась от скорости света.

С такими значениями скорости физикам стало неудобно работать. Уже задолго до того теория относительности предсказывала, что в околосветовой области даже незначительному увеличению скорости будет отвечать гигантский прирост энергии частиц. Физики перешли к более растянутой, а значит, более удобной для измерений и расчетов шкале энергий.

И стали выражать ее в особых единицах — электрон-вольтах. Сама по себе эта единица невелика — лишь около одной триллионной доли эрга (а сам эрг — тоже «комариная» энергия). Но не забудем, что ею обладают частицы с массой в триллион-триллионные доли грамма.

Частицы космических лучей имеют энергии порядка миллиардов электрон-вольт и даже более. Если бы такой энергией обладала, скажем, каждая частица летящего камешка, то его остановка была бы равносильна взрыву водородной бомбы.

Легко представить себе, какие он произвел бы разрушения. И столь же нетрудно понять, какие разрушения производят космические частицы в атомном мире.

В космических лучах есть однако не столь энергичные частицы. Магнитное поле Земли указывает им «от ворот поворот», но не выпускает их обратно в космос. Подлетая к Земле, космический град попадает словно в мешок. Более энергичные частицы пробивают стенки мешка и достигают Земли, а менее энергичные остаются в мешке, где и пребывают весьма длительное время.

Несколько лет назад первые рисунки этого мешка, напоминающего по форме баранку, обошли страницы всех газет. Это знаменитые радиационные пояса, которые удалось обнаружить уже при первых запусках искусственных спутников Земли!

Выяснили физики и то, что интенсивность космического града нерегулярно колеблется во времени — варьирует, как говорят ученые. Уже почти сорок лет изучаются эти вариации. От чего они только не зависят! От атмосферных условий, от географического положения места наблюдения, от времени суток и года, от активности Солнца — мы перечислили лишь малую долю всех факторов. Расшифровать тайный смысл этих вариаций оказалось настолько трудным делом, что оно далеко не закончено и поныне. Здесь физикам работы еще на много лет вперед!

Но эта работа исключительно интересна. Именно она позволит ответить на вопрос, откуда берутся космические лучи. Это доподлинно пока еще неизвестно. Некоторый пай в общий котел — в основном в виде не очень энергичных частиц — вносит наше Солнце. Более же энергичные градины прилетают из неведомых глубин нашей звездной системы — Галактики, а быть может, и из еще более далеких и грандиозных межгалактических просторов.

Иногда в космический град затесываются частицы с совершенно чудовищными энергиями в миллиарды миллиардов электрон-вольт. Где они образовались, где ускорились до столь фантастической энергии? Сегодня на это еще нет окончательного ответа.

Но когда он будет получен, физикам радостно пожмут руки астрономы. Ибо тогда Вселенная, просвеченная космическими лучами «собственного изготовления», раскроет глубочайшие загадки своего строения!

Мы — на пороге тридцатых годов нашего века. Заканчивается первый этап «героической эпохи» в изучении космических лучей.

Получено немало. Выяснено, как ведут себя космические лучи в магнитном поле Земли. Удалось примерно установить, какими энергиями обладают космические частицы. Физики узнали, как космические лучи проходят через воздух, горные породы.

Все яснее понимают они, что, видимо, должны быть первичные и вторичные космические лучи: град частиц, приходящих из глубин Вселенной, должен претерпевать изменения при прохождении через атмосферу, рождать в ней потоки «земных» частиц. Мы ведь живем на дне воздушного океана. «Чистые» космические лучи, достигая этого дна, должны обязательно «загрязняться» примесью частиц, выбитых ими из атомов земной атмосферы. Как отделить друг от друга «истинные» космические лучи и их примеси? Физики тридцатых годов этого пока не умеют.

Все яснее видят они, что космические лучи, достигающие земной поверхности, как будто неоднородны, состоят из разных частиц. Одни частицы проникают глубоко в толщу Земли, тогда как другие задерживаются уже в тонком ее слое. Разные ли это частицы или одинаковые, но с существенно разными энергиями? И этого еще не ведают ученые в те годы.

И, наконец, чтó это за частицы? Вероятно, протоны и электроны, может быть, еще и гамма-лучи — больше ничего ведь быть не может.

Уже получены многие тысячи фотографий следов космических лучей. Читатель может удивиться. В те годы космические лучи были такими же, как и сегодня. Почему же в них тогда не были открыты десятки частиц? Ведь они ясно давали о себе знать!

Что ж, на это можно ответить так: и тысячу лет назад свет был таким, как сегодня. Однако же не открыли тогда, что он состоит из фотонов!

Одной зоркости зрения мало. Нужна еще зоркость мысли. Глаз видит то, что ищет ум. А головы теоретиков в те годы еще не искали новых частиц. Пока что им хватало уже открытых. Первую картину атомного мира можно было сложить и из этих частиц.

Но подождите немного. Уже близко то время, когда теоретикам начнет не хватать известных частиц. Тогда они скажут экспериментаторам: «Ищите новые частицы!» И даже укажут им, что приблизительно надо искать.

И пойдут экспериментаторы в толпу космических лучей, вооруженные, как детективы, лишь словесными портретами разыскиваемых частиц. И разыщут они почти все то, на что им указали теоретики. Найдут они еще много того, чего теоретики никак не предсказывали. И сядут тогда теоретики, мучительно сжав голову ладонями, чтобы понять, откуда явились незваные гости.

Но все это еще далеко впереди.

А пока из «красной России» приходят удивительные научные известия. О них сообщает в журнале Академии наук молодой советский физик Дмитрий Владимирович Скобельцын.

Прежде всего он додумывается поместить камеру Вильсона между полюсами сильного магнита. Результат этого мы уже можем предвидеть. Космическая частица, успешно преодолевшая ветер земного магнитного поля, часто оказывается бессильной противостоять магнитному ветру в камере: этот во многие тысячи раз сильнее земного. И частица сворачивает на кривую дорожку.

А дальше? Дальше можно повторить все те измерения, которые когда-то привели Томсона к открытию электрона. Прежде всего, измерив кривизну следа частицы в камере, можно определить отношение величины заряда к массе частицы. А считая, что частица несет на себе единичный электрический заряд (равный по величине заряду электрона), можно вычислить массу частицы.

Кривая должна говорить, однако, о большем. Магнитное поле искривляет пути положительно и отрицательно заряженных частиц в разные стороны. Значит, по тому, как искривлен след, можно сразу сделать заключение и о знаке заряда частицы.

Наконец, зная, что за частица влетела в камеру — об этом сообщают характерные свойства ее следа, жирный ли, прерывистый ли он, — ученый может по известной массе определить энергию частицы. А это исключительно важно.

Так след космической частицы становится источником важной информации о ее свойствах.

Но часто встречаются и такие энергичные космические частицы, что даже сильнейшее магнитное поле в камере не в состоянии сбить их с пути. Следы таких частиц простираются в камере от стенки и до стенки, совершенно прямые, одинаково тонкие или одинаково неплотные. О чем же это говорит? О том, что частица растратила в камере лишь ничтожную долю своей колоссальной энергии.

Торопливая частица пролетела камеру насквозь, не задерживаясь в ней. А поймать ее было бы очень интересно.

Но как это сделать? Космические частицы достигают Земли, пусть растеряв часть своей энергии в атмосфере, все же далеко не на излете. Даже смешно думать, что тонюсенький слой газа в камере смог бы в этом отношении конкурировать с многокилометровой толщей атмосферы Земли.

Поднять давление газа в камере до тысяч атмосфер? Трудно, но в принципе можно. Однако это даст лишь то, что метровый слой газа в камере сравняется с километровым слоем воздуха. Все равно — этого слишком недостаточно.

Космические лучи неплохо задерживаются тяжелыми металлами, атомы которых насчитывают на своих оболочках многие десятки электронов. Например, свинцом.

А раз так, то можно в камере Вильсона сделать свинцовые переборки. Одну, другую, третью. Даже если частица проскочит через все переборки, она в конце концов сильно замедлится.

Вот в камеру влетает частица, вспыхивает лампа, фотоаппарат срабатывает. И первые же снимки оправдывают ожидания. Даже больше — на них видны целые грозди следов частиц. Немногочисленные у первой переборки, на которую упала частица, затем они быстро ветвятся, и вот уже с переборок свисают целые кусты из многих десятков и сотен следов.

«Снопы частиц», — называет их Пьер Оже, уроженец солнечной Франции.

«Ливни частиц», — предлагает Патрик Блеккет, житель дождливой Англии. Это название — «ливни» — и закрепляется за удивительным явлением. Может быть, ливни побеждают еще и потому, что немного спустя это явление обнаруживают и в атмосфере. А это уже более близкое сравнение.

Ливни в камере Вильсона — лишь жалкое подобие атмосферных ливней, в которых рожденные одной космической частицей и бурно размножающиеся потоки миллионов вторичных частиц летят на Землю.

— Подумать только, — восклицает Пьер Оже, — что такие ливни непрерывно возникают в нашем собственном теле! Ежеминутно в наше тело проникает около тысячи космических частиц, а за этот промежуток времени в тканях нашего тела возникают сотни ливней, о которых мы не имеем ни малейшего представления.

Не имели — правильнее сказать. К концу двадцатых годов физики такое представление получили.

Что ж, можно начинать настоящий штурм космических лучей. Но для этого необходимо подтянуть теоретические тылы. Со времени создания Резерфордом и Бором замечательной теории атома прошло почти двадцать лет. И за эти годы старую теорию не узнать, настолько она изменилась и обогатилась. Теперь слово о ней.